混合驱动水下滑翔机高效推进螺旋桨设计

秦玉峰，张选明，孙秀军*，杨 燕

（1.国家海洋技术中心，天津　300112；2.天津城建大学，天津　300384）

混合驱动水下滑翔机高效推进螺旋桨设计

秦玉峰1，张选明1，孙秀军1*，杨 燕2

（1.国家海洋技术中心，天津300112；2.天津城建大学，天津300384）

水下滑翔机尾部增加推进器实现其快速前进，螺旋桨是推进器的核心部件，要求其具有较高的推进效率、振动小、噪声低。首先通过分析螺旋桨的推进效率随直径、转速的变化关系，引入低速高效螺旋桨的设计理念，提出基于数学计算软件及三维建模软件的螺旋桨三维建模方法；然后，运用数学计算软件及螺旋桨曲线算法快速绘制螺旋桨的三维曲线，并对螺旋桨的直径、叶数、叶片厚度及倾角进行优化，大幅提高螺旋桨的推进效率；最后，在数学计算软件中计算出螺旋桨的特征点在空间笛卡尔的坐标，将桨叶的特征点导入三维建模软件，生成三维实体。文中所述方法提高了设计螺旋桨的推进效率及模型构造的准确性。

螺旋桨；高效；数学计算软件；三维建模软件；曲线算法

水下滑翔机是一种利用浮力驱动系统改变自身净浮力从而实现水下锯齿型剖面运动的海洋环境观测平台。浮力驱动模式下，水下滑翔机运动速度较慢，难以实现水平前进运动和强流区的迎流运动，为此，美国Teledyne Webb Research公司在Slocum滑翔机尾部增加螺旋桨推进装置，将其抗流能力增加到1.5～2 kn，而且实现了直线推进功能。该混合驱动水下滑翔机（Hybrid Slocum）在海洋环境观测领域得到了广泛的应用，加拿大纽芬兰纪念大学（Memorial University）、弗吉尼亚海洋科学研究所（Virginia Institute of Marine Science）等单位均购置了带有螺旋桨推进器的Hybrid Slocum滑翔机（图1）。

图1　混合驱动Slocum水下滑翔机及其螺旋桨

美国Teledyne Webb Research公司研制的混合驱动水下滑翔机（Hybrid Slocum）尾部的高效率螺旋桨推进模块，其在水平推进模式下的工作效率与滑翔运动模式下的工作效率相当，可以实现长时间、大航程的运动［1-3］。当前我国水下滑翔机技术在国家高技术研究发展计划（863计划）的资助下，取得了惊人的进步，其中，天津大学研制“Petrel II”水下滑翔机配置了螺旋桨推进模块，可以实现水平快速推进。

增加了螺旋桨推进装置的混合驱动水下滑翔机具有如下突出优势：（1）螺旋桨推进装置单独开启时完成水平推进运动，可以实现近海岸浅水区的布放回收和水平运动目标的追踪等；（2）浮力驱动系统和螺旋桨推进装置同时开启时完成强流区的剖面滑翔运动。

水下滑翔机的尾部推进装置一般由直流电机、螺旋桨、密封结构组成，螺旋桨是其推进装置动力发生部件，其设计性能及制造精度很大程度上影响水下滑翔器的机动性、抗流能力以及噪声与振动频率［4］。本文针对一台长度2m、直径220mm、重量65kg、推进速度1.5 kn的混合驱动水下滑翔机设计一款低转速、高效率推进的螺旋桨。

1　螺旋桨的结构及建模方法

1.1螺旋桨结构

螺旋桨分为普通螺旋桨和导管螺旋桨（图2）。普通螺旋桨由桨毂和均布在桨毂上的桨叶组成，桨叶一般3～7片；导管螺旋桨由桨叶和固定在叶尖外面的同轴导管组成，导管为翼型剖面环状管［5］。螺旋桨是一种反作用式推进器，由于其存在滑脱，能够加速水流获得前向及后向推力。叶片剖面及叶片厚度一般是机翼型，可以看做是扭曲的螺旋运动的三维机翼，叶片形状、旋转方向、转速及倾角决定了其产生推力的大小及方向［6］。

图2　螺旋桨结构

1.2螺旋桨的建模方法

螺旋桨建模是个极其复杂的过程。由于桨叶是自由曲面，很难用函数的方法直接得到螺旋桨在空间笛卡尔坐标系下的位置，无法准确绘制桨叶曲线。目前螺旋桨的建模是通过桨叶切面型值、曲线拟合及投影换算的方法获得桨叶面的拟合曲面。此种方法设计出的螺旋桨模型较为粗糙需要多次修正，同时对于给定推力、转速、及螺旋桨直径等设计参数很难得到准确的螺旋桨三维模型［7-8］。近年来随着技术的发展，有了很多可以用于螺旋桨开发的软件，如：HydroComp、PropCAD、ShipPower及三维建模软件Pro-E及SolidWorks等。本文运用MATLAB、OpenProp及SolidWorks实现快速的螺旋桨三维建模及参数优化，并设计一种用于混合驱动水下滑翔机的低转速、高效率的螺旋桨。

2　螺旋桨参数设定

2.1螺旋桨主要设计参数

螺旋桨设计主要受制于几个关键参数：直径D、叶片宽度、叶片厚度t、螺旋角、螺距H、叶数n、从倾角r以及最佳转速n。由式（1）～式（2）可知，一般情况下，对于特定的螺旋桨，转速越高推力越大，所需电机转矩也随之增大，然而过高转速会伴随有强烈的振动、噪声及严重的空泡现象［9-10］，振动和噪声会暴露水下滑翔机位置、降低推进效率，空泡现象会损失螺旋桨的前向推力，同时这些不利因素会使得装有此种螺旋桨的水下仪器易于被追踪和发现，为解决这些不利影响需降低螺旋桨的转速、增大螺旋桨的直径。

式中：KT，KQ分别为推力系数、转矩系数；ρ为流体密度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径。

叶数：螺旋桨的叶数取决于所需的推力，叶数与推进效率、振动和空泡相关，对于直径和展开面积相同的螺旋桨，叶片越多运转越平稳振动越小，效率也越低；叶片数目越少效率越高，产生空泡的几率越低［10］。本文所设计的螺旋桨能在不产生强烈震动的较低转速下提供较高的推进效率，同时低于1 000 rpm的转速和较少的叶片能够有效地控制空泡，选定双叶桨。

直径：水下滑翔机的尾部推进器放置于机体的尾部，推进性能受到长圆柱形壳体的影响，最大直径一般不超过水下滑翔机壳体直径的85%，直径过大会影响流体的通过性，降低前向推进力。最小直径取决于桨毂直径，为保证螺旋桨结构强度桨毂直径一般不低于螺旋桨直径的15%［11］。

推力：借助计算流体软件可计算出水下滑翔机在螺旋桨单独开启模式下，航速为1.5 kn时壳体所受的水阻力为5.53 N，并得到该航速下的压力云图（图3）及速度矢量场（图4）。设定螺旋桨设计推力6 N。

图3　压力云图

图4　速度矢量场

2.2推进效率校验

数学计算软件中进行计算机仿真，利用升力线理论求解螺旋桨的水动力性能，分析不同直径、不同转速下螺旋桨的推进效率，基本思想是将桨叶各半径r处的叶元体作为二维机翼进行求解，由式（3）～（4）可求得实际流体中螺旋桨推力T、转矩Q，进而可求得螺旋桨的推进效率。

设定螺旋桨参数，航速1.5 kn，推力6 N，流体密度1 025 kg/m3，双叶桨，转速由200～2 000 rpm，螺旋桨直径由60 mm增至180 mm，叶片形状及叶厚默认（以待进一步优化），进行推进效率校验（图5）。

图5　螺旋桨推进效率随转速和直径变化曲线

分析图5，对于给定推力的情况下低转速大直径的螺旋桨的推进效率一般要高于高转速小直径的螺旋桨。转速低于1 000 rpm时，随着螺旋桨半径的增大推进效率呈增大趋势，最大效率约为0.75；转速大于1 000 rpm时，推进效率在直径为120 mm时达到最大，约为0.65。

3　螺旋桨三维建模

数学计算软件中，运用螺旋桨曲线绘制函数，输入初设螺旋桨设计参数：桨叶数为2，直径180 mm，前向推力6 N，平台航速1.5 kn，桨毂直径30 mm，流体密度1 025 kg/m3，桨叶设定NACA翼型，弧线最大位置为 0.8，厚度类型选择NACA65010，其他参数默认，得到默认系数下的螺旋桨曲线（图6）。

图6　螺旋桨三维曲线

仿真结果：螺旋桨推进功率12 W，推进效率仅为49.6%，意味着在产生6 N推力的情况下螺旋桨将消耗大量能量，不利于水下滑翔机大航程的巡航。

然而，即使如此低的推进效率仍是理想效率，因为此时推进效率为螺旋桨的敞水效率，而实际使用时，螺旋桨装置在水下滑翔机机体尾部，推进效率受水下滑翔机长圆柱形壳体的影响，流体流动受阻。螺旋桨曲线的算法中绘制桨叶的叶片较宽、桨叶较厚、无后倾角，此种螺旋桨不适合做高效率的推进，需进一步优化桨叶各参数。

4　参数优化

4.1低速设计

螺旋桨转速是螺旋桨设计的一个重要因素，对螺旋桨推进效率影响较大，设定单因素测试，分析螺旋桨在不同转速下产生相同推力时的推进效率（图7）。

图7　低速设计

螺旋桨的推进效率随着转速的升高逐渐降低，从最大输出效率的角度来看螺旋桨的理想转速应低于1 000 rpm。然而从实际出发，转速低于1 000 rpm势必要在电机端多增加减速装置，减速装置亦会降低推进器的输出效率，综合考虑选定螺旋桨设计转速1 000 rpm。

4.2改善横纵比

桨叶可以看做扭曲的三维翼型，桨叶参数基于低速翼型进行优化。改善桨叶主要优化横纵比，即弦长与直径之比c/D，改变c/D的值可以改变桨叶的形状，影响螺旋桨的实度，最终影响螺旋桨的推进效率，降低横纵比可大幅提高螺旋桨的推进效率。算法中默认较高的c/D的值，为提高螺旋桨的推进效率，可降低螺旋桨的横纵比c/D。优化分三次进行，优化参数（如表1）、优化结果（图8～图9）以及螺旋桨的推进性能（如表2）。

表1　参数优化表

图8　螺旋桨三维曲线对比

图9　升力曲线对比

表2　螺旋桨推进性能

对比三次优化过程，降低横纵比可大幅提高螺旋桨的输出效率，由0.496 05提高至0.746 19，产生相同推力的情况下降低对电机端的负载，以较小的电机转矩及较小的输出功率带动螺旋桨实现高效率输出。优化纵横比的过程会对叶片螺旋角及厚度产生一定影响，形成锋利的螺旋桨前缘和后缘，降低螺旋桨的耐用度及强度；厚度分布不合理不易于加工，同时螺旋桨运转时受到较大载荷，容易弯曲、折断。因此需要对螺旋桨的厚度进行进一步优化。

4.3厚度优化

桨叶厚度是螺旋桨设计、制造过程中一个非常重要的参数，其大小直接影响螺旋桨的推进效率、可加工性及耐用性。厚度过大会降低螺旋桨的效率输出，厚度过小不易被制造，且强度及耐用性很差。基于薄翼理论可知，若仅追求螺旋桨的推进效率，则可令桨叶厚度为零，桨叶阻力将无限小。然这种螺旋桨是不能够被加工的，本文选定桨叶厚度基于NACA 65010型进行进一步系数修正。

桨叶厚度修正过程分三步优化（如表3），每进行一次系数的修改都会产生一个新的桨叶模型，对每次生成的模型进行应力分析以求得最佳厚度。由于螺旋桨装置位于水下滑翔机的尾部，大直径的螺旋桨在旋转过程中流体的运动受壳体影响，推进效率会有所损失，此时可以引入一个平滑的倾角（rake）改善流体的通过性。

表3　厚度优化

5　设计结果及性能分析

5.1设计结果

基于以上设计及优化过程，确定适用于混合驱动水下滑翔机推进的螺旋桨叶片最终设计参数，运用螺旋桨设计算法在数学计算编程语言中进行三维曲线绘制，生成桨叶特征点在空间笛卡尔坐标系下的三维坐标，将生成的坐标值导入三维建模软件进行三维建模。

表4　叶片最终设计参数

图10　螺旋桨三维建模

5.2性能分析

对生成的螺旋桨模型进行性能分析，计算不同转速下螺旋桨产生的推力及反向转矩（如图11），以及在不同转速下驱动水下滑翔机前向运动的能力及推进效率（如图12）。螺旋桨的推进效率在不同转速下会有小幅振动，平均效率为73.18%，几乎不受转速影响；同时因螺旋桨推进过程受水下滑翔机壳体的影响，使得螺旋桨的推进效率略低于设计效率74.62%。

图11　推力及反向扭矩变化曲线

图12　水下滑翔机航速及推进效率变化曲线

6　结语

螺旋桨是混合驱动水下滑翔机推进系统中的重要部件，其性能直接影响水下滑翔机的作业能力、续航及隐蔽性。低速高效螺旋桨能在较低转速下实现较高效率的推进，降低由高速带来的振动及空泡。运用数学计算语言编程功能及螺旋桨设计的算法可以快速建立螺旋桨三维曲线，进一步优化桨叶参数，使之效率更高、结构更好、更易于加工。参数优化过程较为复杂，因桨叶的特殊形式，需基于翼型参数进行优化，选择合适的翼型作为桨叶及厚度的原型，而后对设计参数进行试凑，直到达到满意的效果，并在三维建模软件中建立螺旋桨三维模型。此种方法可以快速、高效、具有针对性地设计螺旋桨。

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Design of a High-Efficiency Propeller for Hybrid Drive Underwater Gliders

QIN Yu-feng1，ZHANG Xuan-ming1，SUN Xiu-jun1，YANG Yan2
1.National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China；
2.Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China

Underwater gliders may achieve high-speed forward movement by adding a thruster module to its tail.For the hybrid Slocum glider，the propeller，as a core component of the thruster module，should be designed to achieve high efficiency with little vibration and low noise.Firstly，by analyzing the change of efficiency with changing diameter and rotational speed of the propeller，a design concept of low-speed and high-efficiency propeller is introduced and a method for propeller three-dimensional prototype modelling is proposed using mathematical computing software and 3D modeling sofeware.Secondly，the three-dimensional curve of the propeller is drawn quickly with mathematical computing software and curve algorithm，with propeller diameter，leaf number，leaf thickness and rake angle optimized to significantly raise the propelling efficiency.Finally，the propeller feature points in the Cartesian coordinates space are calculated by using mathematical computing software and a three-dimensional object is created by importing blades feature points into 3D modeling software.The method presented in this paper can improve the propelling efficiency of designed propellers and the accuracy of modelling.

propeller；high efficiency；mathematical computing software；3D modeling software；curve algorithm

P715.5

A

1003-2029（2016）03-0040-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.008

2015-08-18

天津市科技支撑计划咨询项目资助（14ZCZDSF00010）；国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2014AA09A507）

秦玉峰（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为海洋环境监测移动平台结构设计。E-mail：qyfdream@163.com

孙秀军（1981-），男，博士，副研究员，主要研究方向为海洋环境机动观测技术。E-mail：sunxiujun@yahoo.com